Software in the Loop

Hardware in the Loop (HiL) bezeichnet ein Verfahren, bei dem ein eingebettetes System (z. B. reales elektronisches Steuergerät oder reale mechatronische Komponente) über seine Ein- und Ausgänge an ein angepasstes Gegenstück, das im Allgemeinen HiL-Simulator genannt wird und als Nachbildung der realen Umgebung des Systems dient, angeschlossen wird.

Hardware in the Loop ist eine Methode zum Testen und Absichern von eingebetteten Systemen, zur Unterstützung während der Entwicklung sowie zur vorzeitigen Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen.

HiL für eingebettete Systeme

Dabei wird das zu steuernde System (z. B. Auto) über Modelle simuliert, um die korrekte Funktion des zu entwickelnden Steuergerätes (z. B. Motorsteuergerät) zu testen.

Die Eingänge des Steuergeräts werden mit Sensordaten aus dem Modell stimuliert. Um die Reglerschleife (Loop) zu schließen, wird die Reaktion der Ausgänge des Steuergeräts, z. B. das Ansteuern eines Elektromotors, in das Modell zurückgelesen.

Die HIL-Simulation muss meist in Echtzeit ablaufen und wird in der Entwicklung benutzt, um Entwicklungszeiten zu verkürzen und Kosten zu sparen. Insbesondere lassen sich wiederkehrende Abläufe simulieren. Dies hat den Vorteil, dass eine neue Entwicklungsversion unter den gleichen Kriterien getestet werden kann, wie die Vorgängerversion. Somit kann detailliert nachgewiesen werden, ob ein Fehler beseitigt wurde oder nicht (siehe auch Fehlernachtest (engl. re-testing)).

Die Tests an realen Systemen lassen sich dadurch stark verringern und zusätzlich lassen sich Systemgrenzen ermitteln, ohne das Zielsystem (z. B. Auto und Fahrer) zu gefährden.

Die HIL-Simulation ist immer nur eine Vereinfachung der Realität und kann den Test am realen System deshalb nicht ersetzen. Falls zu große Diskrepanzen zwischen der HIL-Simulation und der Realität auftreten, sind die zugrundeliegenden Modelle in der Simulation zu stark vereinfacht. Dann müssen die Simulations-Modelle weiterentwickelt werden.

HiL im Automobilbereich

Mit der rapiden Zunahme von elektronischen Steuergeräten und steigendem Funktionsumfang, insbesondere in der Antriebselektronik, mit einer Fülle neuer regelbasierter Funktionen, wurde Anfang der 1990er Jahre Hardware in the Loop als Maßnahme zur Verbesserung der Testmöglichkeiten im Automobilbereich eingeführt. Hierbei wird HiL in zwei wesentlichen Ausprägungen für den Test angewandt.

1. Adaption von einem elektronischen System (z. B. Motor-, Getriebe- oder Bremsenelektronik) an einen HiL-Simulator als sogenannter Komponenten- oder Modulprüfstand.

2. Adaption von mehreren elektronischen Systemen an einen bzw. mehreren gekoppelten HiL-Simulatoren als sogenannter Integrationsprüfstand. Hierbei gehören die elektronischen Systeme im Allgemeinen zum gleichen Teilbereich des Automobils (Antriebselektronik, Komfort- bzw. Karosserieelektronik, Infotainmentelektronik). Die Verwendung der Bezeichnung HiL im Zusammenhang mit Komfort- bzw. Karosserieelektronik oder Infotainmentelektronik ist umgangssprachlich zwar üblich, aufgrund des Fehlens echter Regelkreise bei diesen Systemen jedoch nur bedingt korrekt.

Bei der Durchführung von Tests mit HiL werden die in der Anfangsphase manuell durchgeführten Tests durch automatische Testabläufe ersetzt. Dieses Verfahren nennt man Testautomatisierung. Dadurch lassen sich Tests nahezu beliebig parametrieren und präzise wiederholen. Eine Kontrolle der Fehlerabstellung ist somit wesentlich besser möglich. Die Testautomatisierung hat dem HiL Testverfahren zu einem Durchbruch verholfen und aus dem entwicklungsbegleitenden Testverfahren zu einem festen Bestandteil des Erprobungsprozesses gemacht.

Durch die mittlerweile hohe Güte der verwendeten Modelle im Fahrdynamik oder auch Motorbereich findet das HiL Verfahren seit Anfang der 2000er Jahre immer mehr Anwendung in der Entwicklung neuer Regelalgorithmen. Dies führt mittlerweile zu erheblichen Verkürzungen der Entwicklungszeiten.

Neben der reinen Anbindung des elektronischen Steuergeräts an einen HiL-Simulator gibt es auch die Variante des mechatronischen Verfahrens. Hierbei wird auch ein Teil der Mechanik in die Regelschleife integriert. Dieses Verfahren wird oft bei elektronischen Lenksystemen verwendet, wobei ein Teil des Lenkgestänges als reale Mechanik an den HiL-Simulator gekoppelt ist.

HiL im Maschinen- und Anlagenbau

Im Maschinen- und Anlagenbau wird für Hardware in the Loop in der Regel eine Maschinensteuerung über einen Feldbus an ein Physikmodell einer Maschine angeschlossen. Dieses enthält in der Regel eine Abbildung des Verhaltens sowie des Materialflusses. Über eine optionale 3D-Visualisierung sowie Ausgaben der Physiksimulation kann dann ein Beobachter die Maschinenfunktion überwachen.

Zweck ist die Erstellung und Erprobung von Steuerungsprogrammen, bevor die Bauteile einer Maschine gefertigt und montiert sind. Dadurch lässt sich die Inbetriebnahmephase verkürzen. Ein weiterer Vorteil liegt in der Möglichkeit, ohne Gefahr für den Bediener Grenzsituationen zu testen, wie z. B. das Fahren auf Hardware-Endschalter.

Zukünftige Anwendungsfelder können die Ferndiagnose und Fernwartung von Maschinen und Anlagen mit einschließen. Über eine Telekommunikationsleitung (z. B. über Internet) wird der aktuelle Zustand einer Steuerung vom Maschinenbetreiber in ein Service-Center beim Maschinenhersteller übertragen. Dort können dann anhand des physikalischen Modells erste Diagnosen gestellt und Empfehlungen abgeleitet werden.

HiL in der Luft- und Raumfahrt

In der Luft- und Raumfahrt werden in HiL Systeme Zustände getestet, die am Boden nicht immer nachzubilden sind. Für die Zulassung der Flugsteuerung wird bereits für den Superjet 100 der Iron Bird durch den virtuellen oder Electronic Bird ersetzt.

HiL und die reale Welt

Durch den technologischen Fortschritt und der Entwicklung von leistungsstarken Mikroprozessoren ist es mittlerweile Stand der Technik, das HiL-Systeme zunehmend die reale Umwelt ersetzen. Gerade für die Entwicklung elektronischer Steuergeräte wird mit Hilfe des HiL-Simulators so die Erstellung einer idealen Testumgebung im Labor ermöglicht. Je nach Systemanforderungen bewegt sich die Berechnungszeit eines kompletten Simulationszykluses im Bereich von 1ms, bei Spezialanwendungen reicht es bis in den Mikrosekundenbreich.

Unabhängig der technischen Möglichkeiten stellt der HiL-Simulator jedoch immer nur einen begrenzten und großteils reduzierten Ausschnitt der realen Umgebungswelt dar. Insbesondere bei Funktionen, bei denen der Kunde in Interaktion mit der Technik steht, stößt man schnell an die Grenzen der Simulationsfähigkeit.

Eine Umweltsimulation basiert immer nur auf den vorliegenden Erkenntnissen, erhobenen Mess- und Erfahrungswerten, welche in vereinfachte mathematische Formeln überführt werden und sich dann als Modelle im Hil-Simulator wiederfinden. Auf Grund dessen und trotz der Fortschritte in der Umweltsimulation kann der HiL-Simulator nie den Test in der realen Welt ersetzen.

Software in the Loop

Bei der Methode Software in the Loop (SiL) wird im Gegensatz zum HiL keine besondere Hardware eingesetzt. Das erstellte Modell der Software wird lediglich in den für die Zielhardware verständlichen Code umgewandelt (beispielsweise von einem MATLAB Modell nach C-Code). Dieser Code wird auf dem Entwicklungsrechner zusammen mit dem simulierten Modell ausgeführt, anstatt wie bei Hardware in the Loop auf der Zielhardware zu laufen. Es handelt sich dabei also um eine Methode, die vor dem HiL anzuwenden ist.

Vorteile von SiL sind unter anderem, dass die Zielhardware noch nicht feststehen muss, und dass die Kosten aufgrund der fehlenden Simulationsumgebung weitaus geringer ausfallen. Das hier benutzte Modell der Strecke kann auch beim HiL weiter verwendet werden, und somit die einzelnen Testläufe miteinander verglichen werden.

Siehe auch

• Rapid Control Prototyping
• IPG Automotive
• dSPACE GmbH
• ETAS GmbH
• Time Partition Testing (TPT)
• TargetLink

Weblinks

• Maschinensimulation zur Steuerungsinbetriebnahme: Echtzeit-HIL-Maschinensimulation
• Quelle zu HiL von Maschinen: Virtuelle Inbetriebnahme
• Electronic Bird - Superjet 100
• Gegenüberstellung von HiL und Realität in der Steuergeräteentwicklung im Automobilbereich: Fahrversuch versus HiL-Test - neutrale Gegenüberstellung.